新工科背景下能源与动力工程专业基础课程改革方法研究

刘雪玲 汪健生

[摘 要]能源与动力工程是传统的工科专业，在科学研究及工程应用中具有很广泛的应用前景。文章根据当前新工科背景条件下能源与动力工程专业的技术特点及发展趋势，结合国家相关重大发展战略要求，以培养具有国际视野、具有解决复杂工程问题能力的高素质人才为目标，提出了新形势下能源与动力工程专业基础理论课程体系构建思路，同时对能源与动力工程专业的主要基础课程的教学内容进行了分析，并提出了适应当代科学与技术发展要求的热工基础课程的教学模式与方法。

[关键词]能源与动力工程;新工科;热工基础课程;教学模式

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）08-0065-03

一、引言

当前，随着社会的迅猛发展及全球经济一体化进程的不断加速，全球范围内对高等教育的改革需求也日渐迫切。我国高等教育长期沿用的课程模式、教学内容、教学方法等均需进行改进，才有可能适应当前日新月异的新技术革命的需求。近几年来，随着工程技术的不断发展，对工程技术人才的需求已与过去有了很大区别，对工程教育也提出了新要求。为促进我国工程教育深化改革，适应工程教育新形势，培养具有合理知识结构、创新意识、国际视野、团队合作意识的高级专门人才，继工程教育专业认证之后，教育部提出了新工科建设指导思想，并形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”，力图全力探索工程教育的中国模式和中国经验[1]。

在全球经济体系中，能源是关系到各国国民经济建设的重要战略资源，能源的绿色、高效、合理利用，是关系到社会可持续发展和环境保护的重要技术及战略问题。正因如此，与能源相关的技术问题受到了前所未有的关注，对能源相关专业人才的需求也达到了前所未有的高度。因此，能源与动力工程专业正在受到社会的广泛关注。

为适应新形势对能源与动力工程专业人才培养的需求，最大限度地满足社会及学生个人发展的需求，本研究结合能源与动力工程专业的特点，探讨我国能源与动力工程专业所培养的学生应具备与其职业发展及社会需求相匹配的若干基本素质。其一是具有坚实的专业理论知识基础。无论社会经济及技术发展到何种程度，基本的专业理论体系是不变的，这些理论体系也是支撑各种新技术、新工艺发展的基石。其二是应当具备运用所掌握的专业理论知识发现与解决复杂工程问题的能力。拥有基本理论知识固然非常重要，但如何在实际工作中尤其是在工程应用中应用这些理论知识是更为重要的，这其实就是我国高等教育中所一直提倡的理论联系实际问题。其三是具有创新精神与创新能力。创新精神与创新能力是一个国家发展前进的根本动力，如果没有这种动力，技术的发展终将停滞。其四是具有宽阔的国际视野。当今的社会，早已不是孤立的环境，各国间的合作与交流是一个国家技术发展与前进所面临的趋势。因此，高等学校培养的人才必须具备这一能力，以应对全球经济一体化的发展趋势[2]。

我国高等学校的专业设置虽然侧重的方向不同，比如有些院校的方向为电厂动力，有些为内燃机，有些为制冷与低温，有些为锅炉等等，但都是通过设置能源与动力工程专业来进行人才培养的。以往高等学校能源与动力类人才培养过程中，普遍存在理论与工程实际脱节、基础理论知识的传授相对枯燥、未能结合本专业领域的最新技术发展、原有的知识体系更新速度偏慢、教学方法单一等问题[3]。而在实践教学环节，问题则显得更为突出。我国能源与动力工程专业的主要基础课程设置大致相同，如流体力学、热力学、传热学、燃烧学、锅炉原理、制冷原理、换热器、内燃机原理等，但这些课程实验教学内容单一，而且实验教学内容严重滞后于现代技术发展，这就使学生无法将所学理论知识与实际工程应用相结合，无法理解实际工程问题与理论知识间的关系，从而造成本专业所培养的学生对实际问题的专业认识程度低，而且运用系统的专业理论知识解决实际工程问题的能力则更低。

因此，为解决上述问题，有必要在能源与动力工程专业人才培养过程中，对原有相关课程的体系进行完善，并对课程内容、教学方式、实验教学等进行改革，促进能源与动力工程专业教学质量的提高，提高学生的专业素质及解决复杂工程问题的能力，从而满足社会相关行业对本专业人才的高质量需求。

二、能源与动力工程专业基础课程特点

在我国现有的高等教育体系中，能源与动力工程作为一个独立的专业，不同高校根据自身特点和发展需求设置了不同方向，主要包括热能工程、制冷与低温、过程控制、热科学与技术工程、内燃机等方向。虽然方向与侧重点各不相同，但主要的基础课程则基本相同，其中包括流体力学、工程热力学、传热学、燃烧学。这是本专业最重要的基础课程，其重要性不言而喻。相对而言，流体力学课程内容繁多，物理概念突出，对学生的数学基础要求很高，学生学习难度大，即便在国外大学也如此。工程热力学课程强调基本概念，内容比较抽象，但又与工程实际密切联系，历来是学生学习难度较大的课程。传热学课程与流体力学、高等数学等课程联系密切，其中的热传导部分中，除与高等数学中的常微分方程、偏微分方程等内容密切相关外，还与线性代数等课程内容相关，而对流换热部分则是在流体力学基础上讲解传热相关内容，因此该课程对学生前期所学知识的要求很高。燃烧学与传热学特点相类似，对学生的流体力学、传热学基本知识有较高的要求。这三门课程为学生学习后续的专业课提供必要的基础理论知识，为现代工程技术人员奠定必备的技术知识基础。

三、能源与动力工程专业基础课程存在的主要问题

当今信息化高度发展的时代，大学生对新生事物、新信息、新思想充满兴趣与好奇，但又对需要刻苦学习获得知识与能力的方法不认可、不认同，绝大多数学生希望能以轻松、愉快的方式实现与完成自己的求知目标，相比于相对严谨、刻板的课题教学，他们更希望借助于其他手段（如网络）达到自己的学习目的。

目前对学生创新及实践能力的培养主要通过课堂教学和实践环节（如课程实验、各类创新实践活动）完成。目前的教学活动以课程为主，学生的学习紧密围绕课程教学进行，是名副其实的以课程教学为核心。所采用的教学模式以课堂授课为主，授课过程中强调的是知识的讲解与传授，课程内容数年甚至数十年不变，课程体系中更关心的是学生对所学知识的掌握程度。在此背景下，大多数学生在课程教学过程中的主动参与意识较弱，教师与学生的交流互动少。教学过程中更注重基本原理的讲解，这一点在能源与动力工程专业基础课程授课中体现得尤为突出。能源与动力工程专业的基础课程中有着大量的基本概念、基本原理、严格而复杂的数学推导过程，传统教学中，教师非常重视对这些内容的讲解，但往往忽视了学生的实际接受能力与感受。机械的、枯燥的理论分析、公式推导、例题讲解往往容易使学生对课程学习失去兴趣。最为重要的是，学生所了解的有关课程内容的信息绝大部分源自教师的讲解，而不是出于对课程内容的兴趣或进行自我探究的所得，是一种典型的“被动式学习”。因此，这样的教学方式很难使培养的学生具有独立分析、解决问题的热情与能力，更难以达到“国际化、高素质、创新型”的人才培養目标。

四、能源与动力工程专业基础课程体系

能源与动力工程专业基础课程包括流体力学、热力学、传热学、燃烧学、换热器原理、制冷原理、锅炉原理、热交换器原理、热工测量、热能与动力机械、热力发电厂、动力机械原理等专业课程，其中流体力学、热力学、传热学、燃烧学是所有专业课程的基础，也是学生未来学习的核心课程。从国外知名大学来看，这四门课程也是机械工程、航空航天、化学工程等专业领域学生的必修课。因此，对这四门课程的课程内容、教学方法的研究与改革，将有助于提高能源与动力工程专业的教学水平，促进学生专业素质及创新能力的提升。

目前我国能源与动力工程专业培养计划中，课程教学的顺序是根据课程内容间的相互衔接而确定的，因此在能源与动力工程专业方向中，这四门专业基础课程的教学顺序为流体力学—热力学—传热学—燃烧学，但很多学校将流体力学与热力学以及传热学与燃烧学安排在同一学期，由此会出现一些问题。比如将传热学与燃烧学安排在同一学期，由于燃烧学中需要大量的传热学理论与知识，加之这两门课程在讲授内容进度上的差异，学生在学习燃烧学课程时，对其中所涉及的传热学内容不了解或认识不深入，会造成课程学习的困难。同样，虽然流体力学与热力学在课程内容上的关联度较小，但这两门课程均具有抽象、概念性强的特点，加之流体力学对数学的要求又很高，将其安排在同一学期，会使部分学生感觉学习压力很大，对课程学习感到焦虑，影响学生的学习兴趣，从而影响教学效果。因此，在安排课程学习时，应当兼顾课程特点、课程难度、课程内容衔接等具体情况，以流体力学—热力学—传热学—燃烧学的顺序进行课程安排。

五、能源与动力工程专业基础课程教学内容

能源与动力工程专业四门基础课程应当根据社会技术的进步与发展来对课程内容进行更新，除继续强调基本概念、基本理论外，更应注重创新与实践内容的补充。其中，流体力学教学应更强调对其物理概念、物理进程的理解，将重点放在对数学公式的物理意义及应用的理解上，而不必过多纠缠于复杂与烦琐的数学公式推导。此外，流体力学课程授课内容中增加工程应用实例，突出工程应用中可采用流体力学基本理论与方法所解决的问题，为学生运用流体力学基本理论与方法解决实际工程问题提供思路。可对工程应用中的诸如汽车外形设计中流阻、风力发电叶片设计、汽轮机叶型设计、换热器流阻、区域供热水力平衡问题等实际工程范例进行分析、组织学生进行讨论。热力学教学内容中，除增加工程实际应用范例外，还应特别增加部分基本概念的应用范例，如熵与热力学第二定律等。热力学工程应用实例中，可结合电厂、核电厂工作特点重点讲授蒸气动力循环;结合各种燃气动力装置讲授各类动力循环;针对日常及工业生产过程中的制冷循环，除讲授常规的蒸气压缩制冷、吸收式制冷外，还可增加喷射式制冷、吸附式制冷、热声制冷、磁制冷、半导体制冷等新型制冷方式的讲解。在讲授湿空气内容时，应结合实际工程案例讲授不同场景条件下的空气处理过程，如室内空气调节过程设计、工业洁净厂房空气处理流程等内容。传热学讲授过程中，除强调其与流体力学的结合外，更需增加实际工程应用中的各类传热问题，如结合三种传热基本方式，增加各类保温问题、土壤蓄热、地热利用中热储温度变化、各种强化传热技术、相变换热、冷（热）辐射、空间飞行器辐射等实例，使学生对传热学的基本理论与分析方法有足够深入细致的了解。在燃烧学课程讲授过程中，要密切结合流体力学、热力学、传热学等课程的内容，将四门课程进行有机结合，让学生体会到不同课程内容间的关系。授课中，根据课程特点，可对各类燃烧器进行案例分析，借此使学生深入理解固、液、气态燃烧的物燃烧过程，理解燃烧过程的关键影响因素及燃烧过程的控制方法，结合节能减排要求，重点分析燃烧产物的形成机理及控制方法。采用项目制及其他方法[4-5]授课，同样也可起到较好的教学效果。

此外，在这四门基础课程的实验教学中，应采用多种形式让学生有机会接触实际应用案例，借此加深对课程的理解;也可为学生提供实验平台，鼓励学生根据课程特点自行设计一些探索性的实验内容。

六、结论

本文针对能源与动力工程专业的具体特点，对能源与动力工程课程体系的四门基础课程的授课内容进行重点分析，得出以下主要结论：其一，能源与动力工程专业基础课程教学，应考虑各门课程的内容衔接与学生的接受程度，按循序渐进的原则来对知识进行讲解。其二，教师授课时，应在突出基本理论、基本原理及基本方法的基础上，突出工程实际案例的讲解，丰富课程内容，增加学生对本专业工程应用范围、前景及最新技术进展的了解。其三，能源与动力工程专业四门专业基础课程是本专业不同方向的基础，因此在课程体系建设与课程教学中应重点突出其基础性作用。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 施晓秋，赵燕，李校堃.融合、开放、自适应的地方院校新工科体系建设思考[J].高等工程教育研究，2017（4）：10-15.

[2] 张华，刘道平，季金瑛.国内外能源动力类本科专业培养计划的比较[C]//中国制冷学会.制冷空调学科教育教学研究：第五届全国高等院校制冷空调学科发展研讨会论文集.厦门：2008：31-35.

[3] 娄钦.国际化人才培养引领的能源动力类专业教学的改革与实践[J].教育观察，2017（21）：96-97.

[4] 汪健生，王迅，安青松.能源与动力工程专业项目制课程教学模式的研究[J].大学教育，2015（5）：153-154+161.

[5] 邓帅，安青松，赵军，等.能源与动力工程专业教学模式的探索与实践[J].大学教育，2017（1）：52-54.

[责任編辑：庞丹丹]